STUDI EKSPERIMEN ALIRAN MELALUI OCTAGONAL ELBOW 900 DILENGKAPI DUA GUIDE VANE PADA CLOSED CIRCUIT WINDTUNNEL - ITS Repository

TUGAS AKHIR – TM141585 (KE)

STUDI EKSPERIMEN ALIRAN MELALUI OCTAGONAL ELBOW 900
DILENGKAPI DUA GUIDE VANE PADA CLOSED CIRCUIT
WINDTUNNEL
ABEL BRYAN ADAM
2111 100 002

Dosen Pembimbing
Prof. Ir. SUTARDI, M.Eng. Ph.D

JURUSAN TEKNIK MESIN
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya 2016

FINAL PROJECT – TM141585 (KE)

EXPERIMENTAL STUDY OF FLOW THROUGH THE OCTAGONAL
ELBOW 90o COMPLETED TWO GUIDE VANE ON CLOSED
CIRCUIT WINDTUNNEL

ABEL BRYAN ADAM
2111 100 002

Supervisor
Prof. Ir. SUTARDI, M.Eng. Ph.D

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
Industrial Technology Faculty
Sepuluh Nopember Institute of Technology
Surabaya 2016

Tugas Akhir
Konveri Energi
STUDI EKSPERIMEN ALIRAN MELALUI OCTAGONAL
ELBOW 90o DILENGKAPI DUA GUIDE VANE PADA
CLOSED CIRCUIT WINDTUNNEL
Nama Mahasiswa
NRP
Jurusan

Dosen Pembimbing

: Abel Bryan Adam
: 2111 100 002
: Teknik Mesin FTI-ITS
: Prof. Ir. Sutardi, M.Eng. Ph.D

Abstrak

Penggunaan elbow dalam perancangan closed circuit
windtunnel, akan menyebabkan terjadinya kerugian tekanan pada
aliran. Hal tersebut disebabkan oleh perubahan arah aliran fluida
yang melalui saluran tersebut. Fenomena aliran melalui elbow
yang menyebabkan pressure drop diantaranya adalah gesekan
fluida dengan dinding saluran, separasi aliran dan secondary flow.
Upaya yang dapat dilakukan untuk meminimalkan terjadinya
pressure drop adalah dengan memberikan tambahan guide vane
pada elbow.
Penelitian ini dilakukan secara eksperimen. Model uji
yang digunakan adalah octagonal elbow 90º dengan dua guide

vane dan tanpa guide vane. Fluida yang mengalir adalah dengan
asumsi udara incompressible, dan steady. Pada penelitian ini
digunakan kecepatan free stream sebesar 5,5 m/s dan 11 m/s
dengan Re sebesar 1,8 x 105 dan 3,6 x 105.
Berdasarkan distribusi wall pressure coefficient (Cp),
penambahan dua guide vane di dalam elbow pada Re = 1,8 x 105
mampu menurunkan ∆Cp(inner-outer) sebesar 26,68% dan pressure
drop (∆Cp(inlet-outlet)) sebesar 28,22%. Penambahan dua guide vane
di dalam elbow pada Re = 3,6 x 105 dapat menurunkan ∆Cp(innerouter) sebesar 16,28% dan pressure drop ∆Cp(inlet-outlet) sebesar
21,05%. Berdasarkan distribusi profil kecepatan pada inlet dan
outlet terlihat adanya aliran balik (backflow) pada bagian inner.
Penambahan dua guide vane pada kedua Re dapat meminimalkan
adanya backflow. Penambahan dua guide vane pada Re = 1,8 x

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

iv

Tugas Akhir

Konversi Energi
105 dan Re = 3,6 x 105 masing-masing dapat menurunkan tingkat
intensitas turbulensi sebesar 25,2% dan 15,06%.
Kata kunci: octagonal elbow 90o, guide vane, pressure drop,
backflow, secondary flow, windtunnel closed circuit

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

v

Tugas Akhir
Konversi Energi
EXPERIMENTAL STUDY OF FLOW THROUGH THE
OCTAGONAL ELBOW 90o COMPLETED TWO GUIDE
VANE ON CLOSED CIRCUIT WINDTUNNEL
Student Name
NRP
Major
Lecture

: Abel Bryan Adam
: 2111 100 002
: Mechanical Engineering FTI-ITS
: Prof. Ir. Sutardi, M.Eng. Ph.D

Abstract
The use of elbow in a design of closed circuit wind
tunnel, leads to the loss of pressure in the flow. It is caused by
changes in the direction of fluid flow through the channel. The
phenomena of flow through the elbow causing pressure drop
include fluid friction with the walls of the channel, flow
separation and secondary flow. Efforts should be made to
minimize the pressure drop with additional guide vane at the
elbow.
This research was done experimentally. The test model is
an octagonal 90º elbow with two guide vanes and without a guide
vane. Fluid flow is air and is assumed incompressible and steady.
In this experiment, the free stream velocities are 5,5 m / s and 11
m / s with Re of 1,8 x 105 and 3,6 x 105.

Based on the distribution of wall pressure coefficient
(Cp), the addition of two guide vanes in the elbow at Re = 1,8 x
105 can reduce ΔCp (inner-outer) of about 26,68% and the
pressure drop (ΔCp (inlet-outlet)) of about 28,22%. The addition
of two guide vane in the elbow at Re = 3,6 x 105 can reduce ΔCp
(inner-outer) amounted to 16,28% and the pressure drop ΔCp
(inlet-outlet) of about 21,05%. Based on the distribution of the
velocity profile at the inlet and outlet, it is shown a presence of
backflow (backflow) in the inner part. The addition of two guide
vanes on both Re can minimize the backflow. The addition of two

JurusanTeknikMesin
FTI - ITS

vi

Tugas Akhir
Konversi Energi
guide vanes at Re = 1,8 x 105 and Re = 3,6 x 105 can reduced the
level of turbulence intensity of 25,2% and 15,06%.

Keywords: octagonal elbow 90o, guide vane, pressure drop,
backflow, secondary flow, windtunnel closed circuit

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

vii

Tugas Akhir
Konversi Energi
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah SWT Tuhan semesta alam, sehingga
penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul: “STUDI
EKSPERIMEN ALIRAN MELALUI OCTAGONAL ELBOW
90o DILENGKAPI DUA GUIDE VANE PADA CLOSED
CIRCUIT WINDTUNNEL”. Terselesaikannya Tugas Akhir ini
tidak lepas dari dukungan berbagai pihak yang telah memberikan
bimbingan, bantuan, dan doa kepada penulis. Untuk itu pada
kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada”
1. Ayah Wibowo dan Ibu Asih Minarni yang luar biasa dan

selalu memberikan doa, motivasi serta berkorban kerja siang
malam untuk membiayai sekolah selama ini.
2. Bapak Prof. Ir. Sutardi, M.Eng., Ph.D sebagai Dosen
pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak memberikan
tenaga, waktu diskusi, perhatian dan solusi disela-sela
padatnya aktivitas kampus beliau.
3. Bapak Dr. Wawan Aries Widodo, ST. MT, Bapak Nur
Ikhwan, ST. M.Eng, dan Ibu Vivien Suphandani, ST. ME.
Ph.D sebagai Dosen Penguji yang telah memberikan kritik
dan saran dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Dr Bambang Pramujati selaku Ketua Jurusan Teknik
mesin ITS yang telah memberi motivasi kepada penulis
5. Bpk. Nur Rochman dan Bpk. Sutrisno sebagai karyawan Lab
Mekflu yang telah banyak membantu membuat alat
windtunnel dan memotivasi penulis dalam menyelesaikan
Tugas Akhir ini.
6. Bapak Ir. Sudjud Darsopuspito, MT selaku dosen wali yang
telah memberikan pengarahan akademik selama perkuliahan.
7. Adikku Tercinta Yona Aqmarina yang selalu memberikan
motivasi, nasehat-nasehat kecil, dan doanya.

8. Giriesa Kinanti yang setiap minggu meluangkan waktu ke
Surabaya menjenguk dan memberikan semangat.
9. Tim Tugas Akhir yaitu Fahmi Copet Khafidul Haq, Anastia
Erina Palupi, Romi Naibaho dan Muhammad Rizky Akbar.

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

viii

Tugas Akhir
Konversi Energi
10. Teman-teman angkatanku M54 yang tidak bisa disebutkan
satu per satu
11. Teman-teman kost si Jeh Tubagus Bima, dan Gondret
Andriyan Aji Permono yang membantu dan menemani
pengambilan data di wintunnel.
Penulis mengharapkan Tugas Akhir ini dapat memberikan
manfaat bagi pembaca. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini
masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis menerima

saran dan kritik yang bersifat membangun guna perbaikan untuk
penelitian-penelitian selanjutnya.

Surabaya, Januari 2016

Penulis

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

ix

Tugas Akhir
Konversi Energi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ..................................................................... i
LEMBAR PENGESAHAN ........................................................iii
ABSTRAK ................................................................................... iv
ABSTRACT ................................................................................ vi
KATA PENGANTAR ..............................................................viii

DAFTAR ISI ................................................................................ x
DAFTAR GAMBAR .................................................................xii
DAFTAR TABEL ..................................................................... xiv
DAFTAR SIMBOL .................................................................. xvi
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ...................................................................... 1
1.2 Perumusan Masalah .............................................................. 3
1.3 Tujuan ................................................................................... 4
1.4 Batasan Masalah ................................................................... 4
BAB 2 KAJIAN PUSTAKA
2.1 Terowongan Angin (Windtunnel) ......................................... 5
2.2 Desain Elbow 90o Pada Closed Circuit Windtunnel .............. 6
2.3 Persamaan Euler Pada Koordinat Streamline ....................... 7
2.4 Proses Terjadinya Separasi Pada Elbow ............................... 9
2.5 Proses Tejadinya Aliran Sekunder Pada Elbow .................. 10
2.6 Coefficient Of Pressure (Cp)............................................... 11
2.7 Distribusi Tekanan Disepanjang Inner dan Outer Wall
Elbow 90o .......................................................................... 12
2.8 Karakteristik Aliran Didalam Elbow................................... 13
2.9 Intensitas Turbulensi ........................................................... 17
BAB 3 METODE PENELITIAN
3.1 Instalasi Penelitian .............................................................. 19
3.2 Peralatan Pendukung ........................................................... 23
3.3 Analisa Dimensi Parameter-Paramater yang Dianalisa ...... 27
3.4 Langkah-langkah eksperimen ............................................. 31
3.4.1 Prosedur Validasi .......................................................... 31
3.4.2 Pengambilan data kuantitatif ......................................... 31
3.4.3 Pengolahan data kuantitatif ........................................... 33

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

x

Tugas Akhir
Konversi Energi
3.5 Flowchart Penelitian ........................................................... 36
BAB 4 ANALISA DAN PEMBAHASAN
4.1 Distribusi Wall Pressure Coefficient (Cp) .......................... 39
4.1.1 Distribusi Cp Searah Streamline ................................... 39
4.1.2 Distribusi Cp pada Kelengkungan Elbow ..................... 45
4.2 Distribusi Profil Kecepatan ................................................. 47
4.3 Intensitas Turbulensi ........................................................... 51
4.8 Perbandingan Hasil Eksperimen dari Penelitian
Terdahulu ............................................................................. 54
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ......................................................................... 57
5.2 Saran ................................................................................... 58
DAFTAR PUSTAKA ................................................................ 59
BIODATA PENULIS ................................................................ 61

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

xi

Tugas Akhir
Konversi Energi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Open circuit windtunnel ........................................... 5
Gambar 2.2 Closed circuit windtunnel ....................................... 6
Gambar 2.3 Skema elbow 90o dengan guide vanes...................... 7
Gambar 2.4 Partikel fluida yang mengalir sepanjang streamline 9
Gambar 2.5 Secondary flow ....................................................... 10
Gambar 2.6 Secondary flow at corner rectangular
elbow 90° ............................................................... 11
Gambar 2.7 Distribusi tekanan pada curved wall ...................... 12
Gambar 2.8 Distribusi tekanan pada curved pipe ...................... 13
Gambar 2.9 Profil kecepatan dan intensitas turbulensi ada
downstream elbow .................................................. 14
Gambar 2.10 (a) Secondary flow pada masing-masing
cross section elbow 90o ............................................................. 15
Gambar 2.10 (b) Variasi friction factor dengan
penambahan guide vane ....................................... 15
Gambar 2.11 Profil Tekanan aliran pada setiap variasi Re ....... 16
(a) 3 Guide Vane ...................................................................... 16
(b) 2 Guide Vane ...................................................................... 16
(c) 1 Guide Vane ...................................................................... 16
(d) Tanpa Guide Vane .............................................................. 16
Gambar 3.1 Skema Instalasi Penelitian ..................................... 19
Gambar 3.2 Skema penelitian ................................................... 21
Gambar 3.3 Plotting posisi guide vane 1 dan 2 dari grafik
hubungan antara Cp dengan r ................................. 22
Gambar 3.4 Skema posisi guide vane ....................................... 23
Gambar 3.5 Skema pemasangan wall pressure tap dan pitot
tube.......................................................................... 24
Gambar 3.6 Lokasi perhitungan untuk profil kecepatan ............ 25
Gambar 3.7 Inclined manometer ................................................ 26
Gambar 3.8 Flowchart penelitian .............................................. 37

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

xii

Tugas Akhir
Konversi Energi
Gambar 4.1 Grafik distribusi Cp inner dan outer wall tanpa
dan dengan dua guide vane pada Re = 1,8 x 105
dan Re = 3,6 x 105 ..................................................40
Gambar 4.2 Grafik perbandingan distribusi Cp inner dan
outer wall tanpa dan dengan dua guide vane Re
= 1,8 x 105 ..............................................................42
Gambar 4.3 Grafik perbandingan distribusi Cp inner dan
outer wall tanpa dan dengan dua guide vane Re
= 3,6 x 105 ..............................................................42
Gambar 4.4 Distribusi Cp tegak lurus streamline untuk tanpa
dan dengan dua guide vane ....................................46
Gambar 4.5 Distribusi profil kecepatan setiap section dengan
Re = 1,8 x105 dan Re = 3,6 x105 tanpa guide
vane pada section a) 1; b) 2; c) 3; d) 4; e) 5
dan lokasi pengukuran profil kecepatan .................48
Gambar 4.6 Distribusi profil kecepatan setiap section dengan
Re = 1,8 x105 dan Re = 3,6 x105 dengan dua
guide vane pada section a) 1; b) 2; c) 3; d) 4;
e) 5 dan lokasi pengukuran profil kecepatan ..........50
Gambar 4.7 Sinyal fluktuasi kecepatan tanpa penambahan
guide vane pada Re = 1,8 x 105 ..............................52
Gambar 4.8 Sinyal fluktuasi kecepatan tanpa penambahan
guide vane pada Re = 3,6 x 105 ..............................52
Gambar 4.9 Sinyal fluktuasi kecepatan dengan penambahan
dua guide vane pada Re = 1,8 x 105 .......................53
Gambar 4.10 Sinyal fluktuasi kecepatan dengan penambahan
dua guide vane pada Re = 3,6 x 105 .......................53

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

xiii

Tugas Akhir
Konversi Energi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Pengaruh penambahan guide vane terhadap
pressure Drop.............................................................. 17
Tabel 3.1 Posisi pengukuran pressure tap pada octagonal
elbow 90o ......................................................................................................... 24
Tabel 3.2 Lokasi perhitungan untuk profil kecepatan.................. 25
Tabel 3.3 Perbandingan besar parameter-parameter dimensi
yang diusulkan dengan penelitian terdahulu............... 30
Tabel 4.1 Perbandingan data eksperimen distribusi Cp pada
inner dan outer octagonal elbow dengan variasi
guide vane dan bilangan Reynolds.............................. 44
Tabel 4.2 Data eksperimen pengaruh penambahan dua guide
vane terhadap pressure drop....................................... 44
Tabel 4.3 Data eksperimen pengaruh Reynolds nummber dan
penambahan dua guide vane terhadap koefisien
minor losses ................................................................ 45
Tabel 4.4 Perbandingan data eksperimen distribusi Cp inner
dan outer pada arah radial octagonal elbow dengan
variasi guide vane dan bilangan Reynolds ................. 47
Tabel 4.5 Perbandingan intensitas turbulensi pada variasi Re
dan guide vane ............................................................ 54
Tabel 4.6 Perbandingan data eksperimen terdahulu pada
distribusi Cp inner dan outer elbow dengan variasi
dua guide vane dan bilangan Reynolds ....................... 55

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

xiv

Tugas Akhir
Konversi Energi

Halaman ini sengaja dikosongkan

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

xv

Tugas Akhir
Konversi Energi
DAFTAR SIMBOL
Simbol geometri elbow
 a
: tinggi cross section elbow 90º, (mm)
 b
: lebar cross section elbow 90º, (mm)
 Dh
: diameter hidrolik, (mm)
 Li
: panjang inlet elbow, (mm)
 Lo
: panjang outlet elbow, (mm)
 ri
: inner radius elbow, (mm)
 ro
: outer radius elbow, (mm)
 rg1
: guide vane 1 radius, (mm)
 rg2
: guide vane 2 radius, (mm)
 li
: panjang total dari inner wall, (mm)
 lo
: panjang total dari outer wall, (mm)
Cp
: pressure coefficient, tak berdimensi
g
: percepatan gravitasi (kg/m2)
ps,i
: tekanan statis dinding pada x/Dh = i, (Pa)
pref
: tekanan statis referensi pada x/Dh = 0, (Pa)
po
: tekanan stagnasi yang diukur dengan stagnation
pressure tube, (Pa)
ps
: tekanan statis sejajar dengan stagnasi pressure
tube, (Pa)
r/b
: koordinat normal streamline, tak berdimensi
(r-ri)/b
: koordinat normal tegak lurus streamline, tak
berdimensi
𝜌𝑈𝑟𝑒𝑓 𝐷ℎ

ReDh

: bilangan Reynolds =

SG
T
u
u’
̅
𝑈
Uref

: specific gravity, tak berdimensi
: temperatur ruangan, (oC)
: kecepatan lokal (m/s)
: Standar deviasi kecepatan (m/s)
: Kecepatan rata-rata (m/s)
: kecepatan referensi yang diukur pada x/Li = 0,
atau x/Lo = 0, (m/s)

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

xvi

𝜇

, tak berdimensi

Tugas Akhir
Konversi Energi
xi/Dh
xo/Dh

z
∆Cpinner-outer
∆Cpinlet-outlet
𝜕𝑝
𝜕𝑥
𝜕𝑝
𝜕𝑟

h
υ
𝜌𝐻2 𝑂
ρud
φ

: koordinat sepanjang streamline berdasarkan
panjang sisi inner, tak berdimensi
: koordinat sepanjang streamline berdasarkan
panjang sisi outer, tak berdimensi
: koordinat vertikal
: selisih Cp maksimum di sisi outer dan Cp
minimum di sisi inner, tak berdimensi
: selisih Cp di sisi inlet dan Cp di sisi outlet, tak
berdimensi
: gradient tekanan, (N/m3)
: gradien tekanan searah radial/ searah jari-jari
(N/m3)
: selisih bacaan awal dan akhir manometer, (mm)
: viskositas kinematis udara, (m2/s)
: massa jenis air, (kg/m3)
: massa jenis udara, (kg/m3)
: sudut inclined manometer, derajat

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

xvii

Tugas Akhir
Konversi Energi
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada zaman modern saat ini kemajuan ilmu pengetahuan
dan teknologi cukup pesat. Dibidang aerodinamika, teknologi
terowongan (windtunnel) juga mengalami perkembangan.
Windtunnel pertama kali dibuat pada tahun 1871 oleh Francis
Wenham dan John Browning dari Inggris, berdasarkan keinginan
untuk simulasi penerbangan di dalam atmosfir. Windtunnel atau
terowongan angin adalah salah satu teknologi yang digunakan
sebagai alat riset untuk membantu dalam menganalisa efek angin
yang bergerak di sekitar objek.
Saat ini teknologi terowongan angin mengalami
perkembangan yang sangat pesat dengan berbagai jenis sesuai
dengan kebutuhan. Menurut bentuknya terowongan angin ada dua
jenis yang cukup dikenal, yaitu : saluran terbuka (open circuit)
dan saluran tertutup (closed circuit). Tipe saluran terbuka (open
circuit) udara mengikuti jalur lurus dari jalur masuk melalui
kontraksi ke test section, diikuti diffuser, rumah fan, dan saluran
keluar ke udara terbuka. Tipe saluran tertutup (closed circuit)
mempunyai jalur yang kontinu untuk udara. Kedua jenis
windtunnel tersebut memiliki perbedaan mendasar yang dapat
dipahami dari segi kelebihannya. Dalam tingkat efisiensinya,
windtunnel pada saluran tertutup (closed circuit) memiliki
efisiensi lebih tinggi dibandingkan pada saluran terbuka (open
circuit) karena, tenaga untuk menggerakkan kipas lebih kecil. Hal
ini dapat dimengerti bahwa, pada sirkuit tertutup angin akan terus
bergerak berputar sepanjang terowongan. Dengan demikian,
fungsi kipas hanya untuk melawan kerugian tekanan angin akibat
gesekan dengan dinding-dinding terowongan saja.
Dalam desain windtunnel saluran tertutup (closed circuit)
terdapat elbow, dimana fungsinya untuk membelokkan aliran
udara agar terus berputar didalam saluran windtunnel. Menurut
Gonzales (2013), elbow pada windtunnel menyebabkan
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

1

2

Tugas Akhir
Konversi Energi

terjadinya kerugian tekanan pada aliran fluida. Perubahan arah
aliran akibat gesekan antara fluida dengan dinding elbow
memberikan kontribusi yang besar terhadap pressure drop. Empat
elbow 900 pada wind tunnel closed circuit besar pengaruhnya
lebih dari 50% terhadap total pressure drop yang dihasilkan.
Untuk mengurangi pressure drop dan menghasilkan aliran yang
berkualitas, pada elbow harus ditambahkan guide vanes. Menurut
Gonzales (2013), desain guide vanes juga berpengaruh terhadap
besar pengurangan pressure drop. Untuk meminimalkan
terjadinya pressure drop, desain jarak antara guide vanes satu
dengan yang lain tidak sama atau tidak linier, melainkan secara
bertahap harus meningkat dari posisi dekat inner wall hingga pada
outer wall.
Iswati (2012) melakukan studi tentang pengaruh
penambahan guide vane terhadap pressure drop aliran didalam
rectangular elbow 90o dengan reynolds number 2,1x105. Metode
yang digunakan adalah numerik dan eksperimen. Di dalam
penelitiannya, desain jarak guide vanes yang digunakan adalah
sama atau linier dari posisi dekat inner wall hingga outer wall.
Hasil dari penelitian tersebut adalah, bahwa pengaruh
penambahan dua guide vane justru meningkatkan penurunan
tekanan (pressure drop) aliran, karena perbedaan Cp antara outer
wall dengan inner wall yang semakin besar. Sutardi dkk (2010)
melakukan penelitian secara eksperimen pada sebuah elbow.
Elbow yang digunakan rectangular elbow 90o dengan 4 variasi
pemasangan guide vane yaitu tanpa guide vane, satu guide vane,
dua guide vane, dan tiga guide vane. Jarak pada setiap jumlah
guide vanes yang digunakan sama atau linier terhadap sisi dekat
inner wall sampai outer wall. Re aliran yang melalui elbow
divariasikan menjadi 2,1 x 104, 8,4 x 104 dan 12 x 104. Hasil yang
didapat dari eksperimen adalah, pada Re terkecil sebesar 2,1 x
104, penambahan guide vane mengurangi pressure drop. Hal
tersebut berbanding terbalik dengan variasi Re aliran 8,4 x 104
dan 12 x 104 dimana terjadi peningkatan pressure drop pada
setiap penambahan guide vane.
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi

3

Dari penelitian yang sudah dilakukan dapat dilanjutkan
dengan mengubah bentuk elbow 90o serta desain jarak guide vane
yang digunakan. Penelitian yang akan dilakukan lebih mengacu
pada desain guide vane yang dilakukan oleh Gonzales dimana
jarak antar guide vane tidak sama atau tidak linier terhadap sisi
dekat inner wall hingga outer wall. Dari desain guide vanes ini
diharapkan mampu mengurangi pressure drop pada Re tinggi.
Jenis elbow yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah
octagonal elbow 90o dengan variasi tanpa dan dengan dua guide
vane pada Re 1,8 x 105 dan 3,6 x 105.
1.2 Perumusan Masalah
Pada penjelasan sebelumnya empat elbow 90o pada wind
tunnel closed circuit berkontribusi lebih dari 50% terhadap total
penurunan tekanan (pressure drop) yang dihasilkan. Penambahan
guide vane perlu dilakukan untuk menghasilkan aliran yang
berkualitas serta meminimalkan terjadinya pressure drop setelah
melewati elbow.
Pada penelitian sebelumnya disebutkan, bahwa pada Re
tinggi penambahan guide vane justru meningkatkan terjadinya
pressure drop. Hal ini perlu dikaji ulang dengan mengubah desain
jarak antar guide vanes yang sudah dilakukan pada penelitian
sebelumnya. Permasalahan terkait dengan aliran didalam elbow
bisa diringkas sebagai berikut:
1. Berapa besar penurunan tekanan (pressure drop) yang
terjadi ketika aliran udara setelah melewati octagonal
elbow 900 pada windtunnel closed circuit?
2. Bagaimana pengaruh penambahan dua guide vane
terhadap penurunan tekanan (pressure drop)
3. Bagaimana pengaruh penambahan dua guide vane
terhadap perubahan profil kecepatan aliran?
4. Bagaimana pengaruh penambahan dua guide vane
terhadap intensitas turbulensi pada daerah outlet
downstream elbow 900?

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

4

Tugas Akhir
Konversi Energi

1.3 Tujuan
Penelitian ini dilakukan untuk menjelaskan fenomena
yang terjadi akibat penambahan guide vane pada octagonal elbow
90o. Jumlah guide vane yang digunakan sebanyak dua buah
dengan jarak yang tidak seragam. Adapun tujuan penelitian ini
adalah sebagai berikut:
1. Mengukur besar penurunan tekanan aliran (pressure
drop) ketika aliran memasuki octagonal elbow 900 pada
windtunnel closed circuit.
2. Mengetahui besar pengaruh penambahan dua guide vane
terhadap penurunan tekanan (pressure drop).
3. Mengetahui pengaruh penambahan dua guide vane
terhadap perubahan profil kecepatan aliran dan
mengevaluasi kemungkinan terjadinya aliran balik (back
flow).
4. Mengetahui pengaruh penambahan dua guide vane
terhadap intensitas turbulensi pada daerah outlet
downstream elbow 900.
1.4 Batasan Masalah
Dalam penelitian ini dapat kita ambil beberapa batasan
masalah agar penelitian yang dilakukan lebih fokus. Adapun
batasan masalahnya sebagai berikut:
1. Fluida yang digunakan adalah udara. Aliran fluida
bersifat incompressible, viscous, dan aliran yang masuk
pada test section elbow adalah turbulen.
2. Penelitian dilakukan pada kondisi isotermal dimana tidak
terjadi perpindahan panas antara fluida dengan sistem.
3. Kekasaran pada permukaan saluran udara diabaikan.

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi
BAB 2
KAJIAN PUSTAKA
2.1 Terowongan Angin (windtunnel)
Wind Tunnel atau terowongan angin adalah salah satu
perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang berfungsi
sebagai sebuah alat riset untuk membantu dalam menganalisa
efek angin yang bergerak di sekitar objek atau model. Secara
umum, terowongan angin dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu
terbuka dan tertutup.
Terowongan terbuka (Open circuit windtunnel)
mempunyai sirkuit yang terbuka di bagian depan dan
belakangnya. Seperti pada gambar 2.1 komponen dari terowongan
angin secara berurutan terdiri dari, honey comb, nozzle, test
section, diffuser, dan fan. Angin yang digunakan untuk tes berasal
dari udara luar yang terisap masuk ke dalam terowongan dan
kemudian akan dibuang kembali ke udara luar di bagian belakang
terowongan. Terowongan jenis ini punya kelemahan yang amat
mengganggu yaitu sangat tergantung pada kondisi udara luar
seperti kecepatan angin, serta temperatur, dan tekanan udara.
Untuk ukuran tertentu dan kecepatan tertentu diperlukan lebih
banyak energi untuk menjalankannya. Secara umum, berisik
sehingga mengakibatkan masalah lingkungan dan membatasi jam
operasi. Keuntungan dari terowongan angin ini adalah biaya
konstruksinya yang rendah.

Gambar 2.1 Open circuit windtunnel (www.ustudy.in)

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

5

6

Tugas Akhir
Konversi Energi

Terowongan jenis kedua adalah jenis tertutup (closed
circuit windtunnel) seperti terlihat pada gambar 2.2. Komponen
dari terowongan angin ini adalah, honey comb, nozzle, test
section, first diffuser, second diffuser, blower, dan elbow 900.
Terowongan ini mempunyai keunggulan yang sangat penting
dibanding jenis pertama yaitu tenaga untuk menggerakkan
kipasnya lebih kecil. Hal ini dapat dimengerti sebab pada sirkuit
tertutup tentu saja angin akan terus bergerak berputar sepanjang
terowongan. Dengan demikian, fungsi kipas hanya untuk
mengatasi kerugian tekanan angin akibat gesekannya dengan
dinding-dinding terowongan saja. Pada bagian elbow biasanya
terdapat guide vanes yang membuat kualitas dari aliran dapat
dengan mudah dicontrol. Pengoperasiannya tidak berisik,
sehingga jam operasi tidak terbatas. Adapun kekurangan dari
konstruksi dari terowongan angin tertutup ini adalah biaya
konstruksinya yang mahal.

Gambar 2.2 Closed circuit windtunnel (www.illustrationsource.com)

2.2 Desain Elbow Pada Windtunnel Closed Circuit
Terowongan angin rangkaian tertutup (windtunnel closed
circuit) memiliki empat elbow 900 dimana besar pengaruhnya
lebih dari 50% terhadap total pressure drop yang dihasilkan.
Untuk mengurangi pressure drop dan menghasilkan aliran yang
berkualitas, pada elbow harus ditambahkan guide vanes. Gambar
2.3 menunjukkan bentuk dari elbow pada windtunnel, termasuk
parameter geometris dan posisi guide vanes-nya
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi

7

Gambar 2.3 Skema elbow 900 windtunnel dengan guide vanes
(Gonzales, 2013)

Jarak pada tiap guide vanes adalah parameter desain yang
penting dan perlu diperhatikan. Ketika jumlah guide vanes
semakin banyak maka pressure drop akan semakin berkurang,
tetapi gaya gesek semakin besar. Dalam hal, ini untuk
meminimalkan terjadinya pressure drop, maka jarak antara guide
vanes secara bertahap harus meningkat dari posisi dekat inner
wall hingga pada outer wall. (Gonzales, 2013)
2.3 Persamaan Euler Pada Koordinant Streamline
Streamline merupakan sembarang garis yang dilukiskan
dalam medan aliran, dimana garis singgung pada setiap titik
dalam garis tersebut menyatakan arah kecepatan aliran. Setiap
kecepatan aliran hanya diwakili satu streamline sehingga tidak
ada aliran yang menyebrangi atau melintasi streamline lain. Hal
ini membuat streamline seakan menjadi batas pdat yang tidak bisa
dtembus oleh aliran (imaginary solid boundary).
Berdasarkan gambar 2.4 gerakan partikel aliran dapat
diketahui dalam koordinat streamline yang dibangun dari

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

8

Tugas Akhir
Konversi Energi

persamaan Euler pada inviscid flow yang dinyatakan pada
persamaan 2.1.




DV
 g  p
Dt

(2.1)

Dari persamaan 2.1 dapat dijelaskan hubungan antara tekanan
dengan kecepatan dari partikel fluida disepanjang streamline,
dimana semakin besar tekanan partikel fluida maka kecepatan
yang dihasilkan akan semakin kecil. Hubungan antara tekanan
dan kecepatan tersebut memenuhi hukum kekekalan energi, jika
aliran dianggap tanpa gesekan penjumlahan komponen tekanan
dan kecepatan pada setiap titik adalah sama sehingga persamaan
Euler dapat disederhanakan sebagai persamaan 2.2 dengan asumsi
aliran steady, body force diabaikan, viscous force diabaikan dan
aliran incompresible
V
1 p
 V
s
 s

(2.2)

Pada kondisi steady flow dimana R adalah kelengkungan dari
streamline, maka persamaan Euler normal dapat ditulis sebagai
berikut:
1 p
z V 2
g


(2.3)
R
n
 n
Pada aliran streamline pada bidang horizontal efek ketinggian
dapat diabaikan, sehingga persamaan dapat disederhanakan
sebagai berikut:
1 p V 2


 n R

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

(2.4)

Tugas Akhir
Konversi Energi

9

Gambar 2.4 Partikel fluida yang mengalir sepanjang streamline
(Fox dkk, 1998)

Pada persamaan 2.4 dijelaskan pengaruh dari perubahan radius
kelengkungan tekanan fluida disepanjang aliran streamline
normal (n). Semakin besar radius kelengkungan maka tekanan
yang terjadi juga semakin besar. Perbedaan tekanan ini digunakan
untuk mengimbangi gaya sentrifugal oleh karena itu aliran di
dalam pipa lurus, tekanan pada sisi normalnya konstan. Ketika
streamlinenya lurus maka tidak ada perubahan tekanan pada
normal streamline.
2.4 Proses Terjadinya Separasi Pada Elbow
Separasi merupakan salah satu karakter aliran yang
penting untuk dikaji pada elbow yang dapat menimbulkan
terjadinya kerugian pressure drop . Kontak antara aliran secara
kontinyu dengan dinding elbow menyebabkan terjadinya gesekan
yang dapat mengurangi momentum dari aliran. Ketika momentum
aliran tidak mampu lagi melawan gesekan dan hambatan akan
terjadi tekanan balik (adverse pressure gradient) yang dapat
merugikan yang ditunjukkan dengan perubahan besarnya
kecepatan dan terjadinya vortex disekitar dinding elbow.
Besarnya vortex region dapat merugikan karena menurunkan
momentum aliran dimana luas penampang aliran utama akan

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

10

Tugas Akhir
Konversi Energi

semakin kecil yang menyebabakan aliran mengalami percepatan
dan menyebabkan terjadinya pressure drop.
2.5 Proses Terjadinya Aliran Sekunder Pada Elbow
Aliran sekunder didalam elbow merupakan fenomena
aliran tiga dimensi karena terjadinya perbedaan distribusi pada
sisi inner dan outer wall. Perbedaan ini terjadi karena semakin
kesisi luar maka tekanan statis aliran akan semakin besar
sehingga pada sisi outer wall tekanan statisnya lebih besar
dibanding sisi inner wall. Ketika aliran melewati dinding elbow
aliran yang terjadi tidak sepenuhnya searah dengan streamwise,
ini terjadi karena terdapat boundery layer pada sisi bawah dan
samping pada elbow. Kecepatan aliran salah satunya bergerak
searah dengan normal streamwise bergerak menuju inner wall
karena tekanan statisnya lebih kecil. Pada aliran elbow terjadinya
aliran sekunder tampak jelas terjadi pada bagian cross section
seperti terlihat pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 Secondary flow (Miller, 1990)

Pada rectangular elbow mempunyai karakter khusus jika
dibandingkan circular elbow dengan terjadinya aliran sekunder
pada sisi corner. Ini terjadi karena pada rectangular elbow terjadi
boundary layer pada sisi bawah dan samping sedangkan pada
sirkular elbow tidak dijumpai. Interaksi boundary layer pada sisi
bawah dan samping menyebabkan terjadinya aliran sekunder.
Penelitian tentang secondary flow juga pernah dilakukan
oleh Hakim (2008) dengan menambah dua guide vane pada
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi

11

rectangular elbow 90o yang ditunjukkan pada gambar 2.6. Pada
dasarnya penambahan guide vane dapat memecah aliran sekunder
pada sisi inner dan outer akan tetapi dengan bertambah guide
vane cenderung akan memperbesar terjadinya aliran sekunder
pada sisi corner dan mengikis momentum karena akumulasi
adverse pressure gradient dan gesekan pada dinding atas dan
bawah sehingga partikel aliran pada leading edge end wall guide
vane akan terseparasi sebelum menumbuk dinding guide vane.

Gambar 2.6 Secondary flow at corner rectangular elbow 90° (Hakim, 2008)

2.6 Coefficient of Pressure (Cp)
Coefficient of pressure pada elbow didefinisikan sebagai
selisih antara tekanan statis lokal dengan tekanan statis acuan
(referensi) dibagi dengan tekanan dinamis yang diukur pada
bagian sisi inlet elbow. Untuk menyatakan besarnya pressure
drop secara tidak langsung dengan menggunakan Cp. Harga Cp
sebagai selisih anatara inlet dengan outet dapat menjelaskan
besarnya pressure drop disepanjang aliran. Semakin besar selisih
Cp antara inlet dengan outlet maka pressure drop yang terjadi
akan semakin besar seperti yang dijelaskan pada persamaan 2.5
sebagai berikut:
𝑃 −𝑃
𝐶𝑝 = 𝜌 1 𝑠 𝑟𝑒𝑓2
(2.5)
2

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

𝜌𝑈𝑟𝑒𝑓

12

Tugas Akhir
Konversi Energi

dimana:
1

2

U ref 2

= tekanan dinamis di inlet elbow

Pref

Ps

= tekanan statis lokal pada dinding
= tekanan statis acuan (referensi)

ρ
Uref

= massa jenis fluida pada kondisi kerja
= kecepatan freestream

2.7 Distribusi Tekanan di Sepanjang Inner dan Outer Wall
Elbow 90o
Pada penelitian terdahulu yang dilakukan Kim dan Patel
(1994) untuk mendapatkan distribusi tekanan disepanjang inner
dan outer wall elbow 90. Pada gambar 2.7 di sepanjang sisi outer
wall didapatkan distribusi tekanan yang mula-mula terjadi
peningkatan tekanan kemudian secara perlahan terjadi penurunan,
ketika melewati outlet terjadi penurunan secara drastis menuju
permukaan datar, sedangkan pada sisi inner wall yang mula-mula
didapatkan distribusi tekanan yang mengalami penurunan
tekanan, ketika melewati outlet elbow mengalami kenaikan secara
perlahan.

Gambar 2.7 Distribusi tekanan pada curved wall (a) concave wall; (b) convex
wall (Kim dan Patel, 1994)

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi

13

Cheng (1994) juga melakukan penelitian tentang
distribusi tekanan di sepanjang sisi inner wall dan outer wall
elbow 90°. Pada gambar 2.8 terlihat bahwa sisi inner wall serta
outer wall terjadi kenaikan tekanan (adverse pressure gradient)

Gambar 2.8 Distribusi tekanan pada curved pipe (Cheng, 1994)

2.8 Karakteristik Aliran Didalam Elbow
Penelitian selanjutnya dilakukan Danbon dan Solliec
(2006) mengenai profil kecepatan pada daerah downstream
circular elbow 90o. Dari hasil penelitian terdapat perbedaan
distribusi tekanan dan kecepatan, dimana outer wall memiliki
nilai yang lebih besar dibanding outer wall. Ini menyebabkan
partikel fluida yang bergerak dari outer wall ke inner wall dapat
menghambat laju aliran fluida. Hal ini menyebabkan terjadinya
aliran sekunder (secondary flow) yang dapat menyebabkan
penurunan tekanan (pressure drop). Profil kecepatan aliran
setelah melewati elbow dapat dilihat pada gambar 2.9.

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

14

Tugas Akhir
Konversi Energi

Gambar 2.9 Profil kecepatan dan intensitas turbulensi pada downstream elbow
(Danbon dan Solliec, 2000)

Penelitian mengenai aliran sekunder (secondary flow)
pernah dilakukan Marn dan Primos (2006) dengan melakukan
studi numerik menunjukkan bahwa terjadi perbedaan distribusi
tekanan di outer wall dan inner wall. Outer wall memiliki
distribusi tekanan yang lebih besar dibandingkan inner wall.
Perbedaan distribusi tekanan inilah yang dapat menyebabkan
terjadinya aliran sekunder (secondary flow) pada masing-masing
cross section elbow, mulai dari inlet elbow pada posisi 0o sampai
outlet elbow pada posisi 90o yang ditunjukkan pada gambar 2.10
(a). Untuk mengurangi terjadinya aliran sekunder (secondary
flow) dilakukan pemasangan guide vane pada pipa circular elbow
900 untuk fluida non newtonian. Penelitian dilakukan pada
masing-masing cross section, dimana secondary flow merupakan
gerakan sepasang vortex dari outer wall menuju inner wall. Dari
hasil penelitian yang ditunjukkan gambar 2.10 (a) vortex mulai
muncul pada posisi 36o dan mulai terdeformasi pada posisi 90o.

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi

15

(a)

(b)
Gambar 2.10 (a) Secondary flow pada masing-masing cross section elbow 90o
(Marn dan Primoz, 2006) (b) Variasi friction factor dengan penambahan
guide vane (Liou et al, 2001)

Sutardi dkk (2010) melakukan penelitian secara
eksperimen pada sebuah elbow. Elbow yang digunakan berbentuk
rounded dan rectangular dengan 4 variasi pemasangan guide
vane yaitu tanpa guide vane, satu guide vane, dua guide vane, dan
tiga guide vane. Re aliran yang melalui elbow divariasikan
menjadi 2.1x104, 8.4 x104 dan 12 x104. Hasil yang didapat dari
eksperimen adalah, pada Re terkecil sebesar 2.1x104, penambahan
guide vane mengurangi pressure drop. Hal tersebut berbanding
terbalik dengan variasi Re aliran 8.4 x104 dan 12 x104 dimana
terjadi peningkatan pressure drop pada setiap penambahan guide
vane. Fakta tersebut terlihat pada gambar 2.11. Selain itu,
penambahan guide vane pada setiap variasi Re juga berhasil
mengurangi turbulansi aliran. Kesimpulan tersebut diambil
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

16

Tugas Akhir
Konversi Energi

dengan memperhatikan fenomena pada data Cp sepanjang inner
dan outer elbow serta profil kecepatan pada bagian downstream
elbow.
(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 2.11 : Profil Tekanan aliran pada setiap variasi Re (a) 3 Guide Vane,
(b) 2 Guide Vane, (c) 1 Guide Vane, (d) Tanpa Guide Vane (Sutardi dkk, 2010)

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi

17

Dari distribusi Cp pada gambar 2.11 perbandingan data
kuantitatif pengaruh penambahan guide vane terhadap pressure
drop dapat dijelaskan pad tabel 2.1 sebagai berikut:
Tabel 2.1 Pengaruh penambahan guide vane terhadap pressure drop
(Sutardi dkk, 2010)

2.9 Intensitas Turbulensi
Turbulensi merupakan fluktuasi irregular pada gerak atau
aliran fluida di dalam medan aliran. Fluktuasi tersebut biasanya
terjadi dalam tiga komponen kecepatan dan tidak sulit diprediksi
secara detail. Turbulensi muncul dalm waktu sesaat di dalam
ruang dan terjadi pencampuran- pencampuran properties fluida
sebagai akibat dari gradien tekanan. Gradien tekanan ini terjadi
didalam ruang dan dipenaruhi faktor lingkungan. Lingkungan
aliran biasanya merupakan batas aliran seperti permukaan datar,
sudut tajam atau benda menghalangi aliran dimana permukaan
tersebut menghasilkan gradient tekanan sebagai akibat viskositas
fluida.
Intensitas turbulensi merupakan derajat keturbulensian
alirandi dalam suatu alat uji. Dalam suatu penelitian tidak
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

18

Tugas Akhir
Konversi Energi

diinginkan intensitas turbulensi yang besar karena dapat
mempengaruhi hasil penelitian. Hal ini mengakibatkan perlu
adanya upaya untuk mengurangi intensitas turbulensi agar
didapatkan data hasil penelitian yang akurat. Salah satu upaya
untuk mengurangi intensitas turbulensi ialah dengan
menempatkan screen pada sisi inlet inlet setelah melewati
honeycomb pada wind tunnel.
Pada suatu closed circuit wind tunnel, intensitas
turbulensi sangat vital dan perlu diperhatikan. Hal ini dikarenakan
pada rangkaian instalasinya terdapat beberapa bagian dengan luas
penampang yang berbeda. Persamaan untuk mengukur intensitas
turbulensi ialah :
IT =

𝑢′
̅
𝑈

u' =√

x 100%

̅ −𝑈𝑛 )2
∑(𝑈
𝑛−1

dimana :
IT
: Intensitas turbulensi
Un
: Kecepatan pada waktu tertentu (m/s)
̅
𝑈
: Kecepatan rata-rata (m/s)
u’
: Standar deviasi fluktuasi kecepatan (m/s)
n
: Jumlah data

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

(2.6)
(2.7)

Tugas Akhir
Konversi Energi
BAB 3
METODE PENELITIAN
Pada bab ini dibahas metode penelitian yang digunakan,
yaitu metode penelitian secara eksperimen. Pembahasan meliputi
instalasi dan test section penelitian, peralatan pendukung
penelitian, analisa dimensi, prosedur pengambilan data, serta
langkah-langkah dalam pengelolaan data.
3.1 Instalasi Penelitian
Instasi penelitian berupa benda uji (test section) dan
peralatan pendukung seperti nozzle, elbow, difuser, fan dan
connector. Instalasi penelitian memiliki spesifikasi umum dengan
dimensi total panjang 6490 mm, lebar 2250 mm dan tinggi 770
mm. Skema instalasi penelitian secara keseluruhan ditunjukkan
pada gambar 3.1.

Gambar 3.1 Skema Instalasi Penelitian

Keterangan gambar
Arah aliran
1. Nozel, honey comb dan screens
2. Test section 1
3. Diffuser 1
4. Fan
5. Elbow kecil
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

6. Connector
7. Diffuser 2
8. Test Section 2
9. Elbow Besar

19

20

Tugas Akhir
Konversi Energi

Instalasi penelitian terdiri dari beberapa bagian utama, yaitu :
1) Fan Axial
Fan Axial digunakan sebagai pembangkit aliran udara di
dalam instalasi. Spesifikasi fan axial yang digunakan adalah
sebagai berikut :
 Merk
: SAD-500/10/4/2
 Tipe
: Direct Axial Fan
 Kapasitas
: 15000 m3/hr
 Daya
: 4 kW
 Putaran
: 2800 rpm
2) Honey Comb, Screen dan Nozzle
Nozzle berfungsi untuk menambah kecepatan aliran
sebelum memasuki test suction . Didalam nozzle terdapat screen
dan honeycomb yang berfungsi untuk menjadikan aliran
mendekati uniform dan mengurangi turbulensi aliran ketika
memasuki instalasi test suction
.
3) Model Uji
Pada penelitian ini digunakan model uji, yaitu octagonal
elbow (No.5 pada skema instalasi gambar 3.1) dengan
penambahan dua guide vane. Model uji ditunjukkan pada gambar
3.2 degan spesifikasi sebagai berikut :
 Elbow
: Octagonal elbow 90°
 Bahan
: Akrilik dan triplek
 Tebal
: 6 mm
 Uref
: 5,5 m/s dan 11 m/s
 Li (panjang inlet elbow)
: 700 mm
 Lo (panjang oulet elbow)
: 1000 mm
 ri (inner radius)
: 100 mm
 ro (outer radius)
: 619 mm
 a (tinggi)
: 519 mm
 b (lebar)
: 519 mm
 Dh (diameter hidrolik)
: 542 mm
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi



li
lo

Sketsa Elbow:

: 1857 mm
: 2672 mm

Gambar 3.2 Skema penelitian

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

21

22

Tugas Akhir
Konversi Energi

4) Guide vane
Dalam eksperimen ini, elbow dilengkapi dengan dua
guide vane. Guide vane diposisikan dekat dengan inner
elbow untuk mengurangi separasi aliran yang terjadi di
daerah yang mengalami tekanan yang besar. Jumlah Guide
vane disesuaikan untuk mempermudah teknis pembuatan
alat. Selain itu, dua guide vane dipilih dengan
mempertimbangkan penelitian sebelumnya.
Melalui persamaan Euler (persamaan 2.4) dapat diplot
sebuah grafik hubungan antara coeffisien of pressure (Cp)
dan radius dari titik pusat (r) yang ditunjukkan pada gambar
3.3. Cp dibagi menjadi tiga region yang sama besar
menandakan tiga daerah dengan besar koefisien tekanan
yang sama.

Gambar 3.3 Plotting posisi guide vane 1 dan 2 dari grafik hubungan
antara Cp dengan r

Dari grafik tersebut didapatkan posisi guide vanes
1 (rg1) sebesar 185 mm dan guide vanes 2 (rg2) sebesar 345
mm dari titik pusat. Skema posisi guide vane terlihat pada
gambar 3.4 dengan spesifikasi desain sebagai berikut:
 bahan
: Kertas karton
 tebal
: 4 mm
 θ (sudut rentang)
: 90º
 rg1 (guide vane 1 radius)
:185 mm
 rg2 (guide vane 2 radius)
: 340 mm
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi

23

Gambar 3.4 Skema posisi guide vane

3.2 Peralatan Pendukung
Peralatan pendukung yang digunakan dalam penelitian ini
meliputi:
 Stagnation pressure tube (Pitot tube)
Pitot tube digunakan untuk mengukur tekanan stagnasi
dengan diameter luar sebesar 0,7 mm berfungsi untuk mengukur
tekanan stagnasi aliran pada setiap titik yang telah ditentukan
didalam model uji. Pergeseran titik pengukuran secara horizontal
pada setiap cross section yang sama dilakukan secara manual
dengan skala pengukuran tertentu. .
Wall pressure tap
Wall pressure tap digunakan untuk mengukur tekanan
statis, pemasangannya di sepanjang dinding lokasi pengukuran.
Pressure tap berbentuk lubang-lubang kecil berdiameter 5 mm.
Selain itu, pressure tab, juga dipasang pada sisi dinding atas
elbow.
Skema pemasangan wall pressure tap dan pitot tube
ditunjukkan sesuai pada gambar 3.5 sebagai berikut:


Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

24

Tugas Akhir
Konversi Energi

Gambar 3.5 Skema Pemasangan wall pressure tap dan pitot tube

Jumlah wall pressure tab disesuaikan dengan kondisi
tekanan pada setiap section. Pada bagian elbow dipasang 8
pressure tab pada outer dan 3 pada inner sedangkan pada bagian
outlet dan inlet dipasang 4 untuk outlet dan 5 untuk inlet. Posisi
pengukuran pressure tab dapat dilihat pada tabel 3.1.
Tabel 3.1 Posisi pengukuran pressure tap pada octagonal elbow 90°.

Inner Wall
Jarak tiap
pressure
Section
tap
( mm )
Inlet
150
(upstream)
Elbow 90
50
Outlet
100
(downstream)

Outer Wall
Jarak tiap
pressure
Section
tap
( mm )
Inlet
150
(upstream)
Elbow 90
100
Outlet
100
(downstream)

Untuk mengetahui profil kecepatan aliran, maka test
section (elbow) dibagi menjadi 4 section yang akan dijadikan
posisi peletakan pitot tube. Pada tabel 3.2 dan gambar 3.6 akan
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi
ditunjukkan beberapa lokasi
mendapatkan profil kecepatan.

yang

akan

diteliti

25
untuk

Tabel 3.2 Lokasi perhitungan untuk profil kecepatan

xi (mm)
367
700
779
857
1062

Section
1
2
3
4
5

xo (mm)
367
700
1186
1672
1877

xi /li
0,20
0,37
0,42
0,46
0,57

xo /lo
0,14
0,26
0,44
0,62
0,70

xo

xi

Gambar 3.6 Lokasi Perhitungan untuk Profil Kecepatan

Inclined manometer (Manometer V) dan Mistar
Manometer digunakan sebagai pembaca tekanan yang
terukur melalui wall pressure tap dan pitot tube. Manometer yang
digunakan mempunyai kemiringan sebesar 10o yang bertujuan
untuk mempermudah pembacaan Δh. Manometer digunakan
sebagai pembaca tekanan statis dan stagnasi yang terukur melalui
wall pressure tap dan pitot tube seperti yang ditunjukkan pada
gambar 3.7.


Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

26

Tugas Akhir
Konversi Energi

Gambar 3.7 Inclined manometer

Spesifikasi manometer yang digunakan sebagai berikut:
 Skala minimum
: 1 mm
 Fluida kerja
: Red oil (SG = 0,827)
 Kemiringan
: 10°
 Thermometer
Thermometer digunakan untuk mengukur temperatur
udara di dalam ruangan.
 Transducer tekanan dan data akuisisi
Berikut spesifikasi Transducer yang akan digunakan dalam
percobaan ini :
- Untuk mengukur intensitas turbulensi
Model
: PX65-05BDI
Range
: ± 1” WC
Akurasi : 0.25 % FS (Fullscale)
Output
: 4 – 20 mA
Excitation
: 13 – 36 Vdc
Ser.no.
: 3030238423
- Untuk mengukur Cp dan U/Umax
Model
: PX653-0.5O5V
Range
: ±1” WC
Akurasi : 0.25 % FS (Fullscale)
Output
: 1-5 VDC
Supply
: 13 – 36 Vdc
Ser.no.
: X13290059

Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

Tugas Akhir
Konversi Energi

27

3.3 Analisa Dimensi Parameter-Parameter yang Dianalisa
Analisa dimensi diperlukan untuk mengetahui apakah
suatu parameter berpengaruh terhadap suatu eksperimen.
Hubungan antara parameter yang saling mempengaruhi
ditunjukkan dalam bentuk parameter-parameter tanpa dimensi.
Metode analisa ini dikenal dengan Buckingham Pi Theorem.
Dalam skema penelitian pada gambar 3.2, parameter-parameter
yang mempengaruhi karakteristik aliran di dalam elbow 90º yang
dilengkapi dengan sudu pengarah (guide vanes).
p
: perbedaan tekanan statis lokal dan referensi (N/m2)

: massa jenis fluida (kg/m3)
μ
: viskositas absolut fluida `(kg/(m.s))
Uref
: kecepatan freestream di inlet elbow 90º (m/s)
u
: kecepatan local (m/s)
a
: tinggi cross section elbow 90º (m)
b
: lebar cross section elbow 90º (m)
r
: posisi pada arah normal terhadap streamline elbow 90º
(m)
ri
: inner radius (m)
ro
: outer radius (m)
rg1
: guide vanes 1 radius (m)
rg2
: guide vanes 2 radius (m)
r
: posisi pada arah normal terhadap streamline elbow 90º
(m)
xi
: posisi searah streamline pada dinding dalam elbow 90º
(m)
xo
: posisi searah streamline pada dinding luar elbow 90º (m)
li
: panjang total inner searah streamline elbow 90º (m)
lo
: panjang total outer searah streamline elbow 90º (m)
Dh
: diameter hidrolik saluran (m)
Li
: panjang inlet elbow 90º (m)
Lo
: panjang outlet elbow 90º (m)
Dengan menganggap p dan u sebagai dependent
variable maka dapat dituliskan persamaan 3.1 sebagai berikut:
Jurusan Teknik Mesin
FTI - ITS

28

Tugas Akhir
Konversi Energi

𝛥𝑝 = 𝑓1 (

𝜌, 𝜇, 𝑏, 𝑎, 𝑟, 𝑟𝑖 , 𝑟𝑜 , 𝑟𝑔1 , 𝑟𝑔2 , 𝑥𝑖 , 𝑥𝑜 ,
)
𝑙𝑖 , 𝑙𝑜 , 𝐿𝑖 , 𝐿𝑜 , 𝑈𝑟𝑒𝑓